Engineering intervertebral disc scaffolds through 3D printing and electrospinning techniques

Abstract

A hérnia de disco intervertebral é uma das principais causas de dor nas costas, afetando mais de 600 milhões de pessoas em todo o mundo. Com mais de 1 milhão de cirurgias realizadas anualmente, os implantes atuais para disco inververtebral (DIV) frequentemente não conseguem replicar o comportamento biomecânico dos discos naturais, levando à degeneração das vértebras adjacentes. O DIV funciona como um estabilizador estrutural para a coluna vertebral, e é composto por duas regiões principais: o núcleo pulposo (NP) hidratado e o anel fibroso (AF) lamelar. O AF possui uma parte interna mais hidratada que serve como uma zona de transição para o NP e uma parte externa mais fibrosa que fornece rigidez estrutural. Esta tese explora uma abordagem inovadora de engenharia de materiais que combina impressão 3D e eletrofiação para desenvolver scaffolds bioinspirados que imitam as estruturas e funções do NP e do AF. Para o NP, hidrogéis de alginato de sódio (SA) foram reforçados com nanopartículas de zircônia estabilizada com ítria (YSZ), criando scaffolds impressos em 3D e reticulados em uma solução de ZrCl4. O SA, um material econômico, e foi escolhido por sua capacidade de formar estruturas similares à matriz extracelular do NP, enquanto o YSZ foi adicionada para proporcionar reforço bioinerte. A incorporação de YSZ aumentou a resistência à compressão dos scaffolds de 0,18 ± 0,02 MPa para o SA puro para 0,35 ± 0,03 MPa para YSZ-SA. A viabilidade celular superou 80% em todos os scaffolds reticulados. Para imitar o AF interno, foi utilizado a eletrofiação de hidrogéis para fabricar fibras de polivinilpirrolidona (PVP) com os aditivos alginato de sódio (SA) e riboflavina (RF). O SA foi incorporado para replicar as propriedades gelatinosas da região interna do AF, enquanto o RF facilitou a reticulação do PVP. As fibras de PVP com RF e SA apresentaram diferentes propriedades mecânicas, com resistências à tração variando de 2,4 ± 0,4 MPa para as fibras com SA até 4,6 ± 0,1 MPa para o PVP puro e 5.2 ± 0,1 MPa para as fibras com maior adição de riboflavina. As fibras de PVP e PVP-RF exibiram diâmetros de 134 ± 31 nm, combinando com a morfologia e as propriedades mecânicas do AF interno. Para imitar o AF externo, fibras de policaprolactona (PCL) foram eletrofiadas com nanopartículas de ouro (AuNPs) produzidas por ablação à laser, e avaliado o efeito nas propriedades superficiais, biológicas e mecânicas. O ângulo de contato das fibras de PCL diminuiu de 120° para 80° com a incorporação de AuNPs, levando a um aumento de até dez vezes na proliferação celular. As fibras de PCL-AuNP apresentaram resistência à tração de 14 ± 0,3 MPa e diâmetro reduzido de 205 ± 28 nm, alinhando-se às propriedades mecânicas do AF externo humano. Os scaffolds de NP foram combinados com fibras biomiméticas de AF eletrofiadas, resultando em scaffolds compostos de DIV com resistências à compressão variando de 2,3 ± 0,1 MPa (fibras PVP-RF) a 3,3 ± 0,2 MPa (fibras PCL-AuNP), atendendo aos requisitos mecânicos para scaffolds de DIV. Embora este estudo tenha se concentrado no desenvolvimento e comparação dos scaffolds NP e AF individualmente, futuras pesquisas devem explorar a integração dos componentes do AF interno e externo para melhorar ainda mais a biomimética e a funcionalidade dos scaffolds de DIV.

Abstract: Intervertebral disc herniation (IVD) is a major cause of back pain, affecting over 600 million people globally. With more than 1 million surgeries performed annually, current IVD implants often fail to replicate the biomechanical behavior of natural discs, leading to degeneration of adjacent vertebrae. The IVD functions as a structural stabilizer for the spine, composed of two regions: the hydrated nucleus pulposus (NP) and the fibrous annulus fibrosus (AF). The AF has an inner hydrated part that serves as a transition zone to the NP and an outer fibrous part providing structural rigidity. This thesis explores an innovative materials engineering approach that combines 3D printing and electrospinning to develop bioinspired scaffolds mimicking the NP and AF structures and functions. For the NP, sodium alginate (SA) hydrogels were reinforced with yttria-stabilized zirconia (YSZ) nanoparticles, creating 3D-printed scaffolds crosslinked in a ZrCl4 solution. SA, a cost-effective material, was chosen to mimic the NP's extracellular matrix, while YSZ provided bioinert reinforcement. The incorporation of YSZ increased the compressive strength of the scaffolds from 0.18 ± 0.02 MPa for pure SA to 0.35 ± 0.03 MPa for YSZ reinforced SA. Cell viability exceeded 80% in all crosslinked scaffolds. For mimicking the inner AF, hydrogel electrospinning was used to fabricate polyvinylpyrrolidone (PVP) fibers with additives, like sodium alginate (SA) and riboflavin (RF). SA was incorporated to replicate the gel-like properties of the inner AF, while RF facilitated the crosslinking of PVP. PVP fibers with SA and RF showed varying mechanical properties, with tensile strengths ranging from 2.4 ± 0.4 MPa for PVP-SA fiber mats (non-woven fiber scaffolds) to 4.6 ± 0.1 MPa for pure PVP and 5,2 ± 0,1 MPa for PVP-RF fiber mats. The PVP and PVP-RF fibers exhibited diameters of 134 ± 31 nm, closely matching the morphology and mechanical properties of the inner AF. For mimicking the outer AF, polycaprolactone (PCL) fibers were electrospun with laser-ablated gold nanoparticles (AuNPs), which enhanced surface properties, biological, and mechanical characteristics. The contact angle of PCL fibers decreased from 120° to 80° with AuNP incorporation, leading to up to a tenfold increase in cell proliferation. PCL-AuNP fiber mats exhibited a tensile strength of 14 ± 0.3 MPa and a diameter of 205 ± 28 nm, aligning with the mechanical properties of the human outer AF. The NP scaffolds were combined with biomimetic electrospun inner or outer layer AF fiber mats, resulting in composite scaffolds with compressive strengths between 2.3 ± 0.1 MPa (PVP-RF fibers) and 3.3 ± 0.2 MPa (PCL-AuNP fibers), respectively. Both combinations meet the mechanical requirements for IVD scaffolds. Due to the lack of time, this study focused on developing and comparing NP and inner or outer AF scaffold individually, future research should explore the integration of both, inner and outer AF fiber mats to further enhance the biomimicry and functionality of the IVD scaffolds.